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Transformator

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Definition: ein elektrisches Gerät, welches Wechselstrom oder Drehstrom auf ein anderes Niveau von Spannung und Stromstärke bringen kann

Englisch: transformer

Kategorie: elektrische Energie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 26.04.2010; letzte Änderung: 21.02.2016

Warum hängt die Stromaufnahme eines Transformators von der Belastung seiner Sekundärspule ab, obwohl diese mit der Primärspule gar nicht elektrisch verbunden ist?

Ein Transformator ist ein elektromagnetisches Bauteil, welches Wechselstrom oder Drehstrom (nicht aber Gleichstrom) auf ein anderes Niveau von elektrischer Spannung und Stromstärke bringen kann. Das Grundprinzip ist, dass mit einem Elektromagneten (meist einer Spule auf einem Eisenkern) ein in Richtung und Stärke wechselndes Magnetfeld erzeugt wird, welches in einer zweiten Spule (oder in mehreren Spulen) andere Spannungen und Ströme induzieren kann. Es ist möglich, auf diese Weise eine niedrigere oder höhere Spannung als die Primärspannung zu erhalten; das Spannungsverhältnis wird im Wesentlichen durch das Verhältnis der Windungszahlen der beteiligten Spulen bestimmt. Wenn die Sekundärwicklung weniger Windungen hat als die Primärwicklung, ist die Sekundärspannung niedriger als die Primärspannung, und dafür kann die vom Transformator abgegebene Stromstärke höher sein als die aufgenommene.

In vielen Fällen wird die Primärspule eines Transformators an die Netzspannung (z. B. 230 V) angeschlossen, und die Sekundärspule erzeugt eine deutlich niedrigere Spannung für die Versorgung eines Geräts. Oft folgt ein Gleichrichter und ein Kondensator, um eine geglättete Gleichspannung zu erhalten.

Obwohl die Primär- und Sekundärspule meistens nicht elektrisch miteinander verbunden sind (außer bei den selten eingesetzten Spartransformatoren), gibt es über das Magnetfeld eine Rückwirkung: Die Primärspule bezieht umso mehr Strom, je höher die der Sekundärspule entnommene Stromstärke ist. Ein gewisser kleiner Primärstrom bleibt jedoch, auch wenn die Sekundärspule nicht belastet wird; es handelt sich weitgehend um einen Blindstrom (der im Zeitmittel keine Leistung transportiert) und teilweise um einen Wirkstrom, der Energieverluste bedeutet. Dieser Standby-Verbrauch kann je nach Leistung und Qualität des Geräts erheblich sein.

Hochleistungs-Transformator

Abbildung 1: Ein Hochleistungs-Transformator mit 235 MW für eine HGÜ-Seekabel-Anlage zur Verbindung von Tasmanien mit Australien (Siemens-Pressebild).

Die Primär- und/oder die Sekundärspule können Anzapfungen enthalten. Dies erlaubt es, die genutzte Anzahl der Windungen der Primärspule der jeweiligen Netzspannung anzupassen, oder unterschiedliche Sekundärspannungen zu erzeugen. Auch mehrere separate Sekundärspulen sind möglich.

Manche alten Transformatoren werden bei Bränden zu gefährlichen Giftschleudern.

Große Transformatoren weisen sehr hohe Wirkungsgrade auf – oft über 99 %. Trotzdem führt ein Verlust z. B. von nur 0,5 % bei einer Übertragungsleistung von 200 MW immer noch zu einer Verlustleistung von 1 MW, die als Wärme anfällt. (Dies entspricht ungefähr der für die Beheizung von 200 modernen Einfamilienhäusern an einem kalten Wintertag nötigen Leistung.) Innerhalb eines Großtransformators wird die Wärme oft mit Hilfe eines Öls zu den Außenwänden transportiert, welches gleichzeitig als elektrischer Isolator dient. Früher wurden PCB-haltige Transformatorenöle verwendet, die z. B. bei Transformatorbränden extrem giftige Dioxine und andere Stoffe freisetzten. Wegen der hohen Lebensdauer solcher Anlagen gibt es noch heute viele solche Transformatoren.

Die kurzzeitige Überlastung eines Transformators durch Bezug eines erhöhten Stroms aus der Sekundärspule führt zu einer stärkeren Erwärmung und einem gewissen Abfall der Sekundärspannung, wird aber meist problemlos verkraftet. Eine überhöhte Primärspannung kann dagegen den Eisenkern in die magnetische Sättigung bringen, was zu einem starken Anstieg des Primärstroms führt. Dann kann eine Zerstörung relativ schnell erfolgen.

Energieeffizienz von Transformatoren

In Wesentlichen treten in Transformatoren zwei Arten von Energieverlusten auf:

Die Verlustleistung in einem Transformator hat einen von der Belastung unabhängigen Anteil und einen weiteren Anteil, der etwa mit dem Quadrat der entnommenen Leistung ansteigt.

Der höchste Wirkungsgrad tritt häufig im mittleren Teillastbereich auf, wo die lastabhängigen Verluste noch nicht allzu hoch sind, die Leerlaufverluste aber auch nicht mehr stark zu Buche schlagen. Im unteren Teillastbereich dagegen sind die Leerlaufverluste ein Problem, da sie relativ zur geringen umgesetzten Leistung recht hoch sind.

Der Wirkungsgrad sehr großer Transformatoren, wie sie beispielsweise in Großkraftwerken oder in Umspannwerken eingesetzt werden, kann bei Volllast oder mittlerer Teillast oberhalb von 99 % liegen; es treten also nur relativ geringe Energieverluste auf, die zu entsprechenden Mengen von Abwärme führen. Auch kleinere Transformatoren, beispielsweise mit Leistungen in der Größenordnung von eine Megawatt, können sehr effizient sein. Dagegen sind Kleinsttransformatoren etwa für Haushaltsgeräte häufig recht ineffizient (mit Wirkungsgraden von teils sogar unter 50 %), weil es für die Hersteller geringe Anreize gibt, die Effizienz unter Inkaufnahme höherer Herstellungskosten zu optimieren.

Auch größere Transformatoren können im unteren Teillastbereich wegen der Leerlaufverluste sehr ineffizient werden, und je nach Anwendung können solche Lastfälle mehr oder wenig häufig auftreten. Beispielsweise liegt die durchschnittliche Last von Transformatoren in den Verteilungsnetzen typischerweise nur bei rund 20 % der maximalen Last, da die von den Verbrauchern entnommene Leistung stark schwankt und die Kapazität der Transformatoren in jedem Fall ausreichen muss. Dieses Problem kann in einem Kraftwerk kaum auftreten, da die meisten Kraftwerke nie im unteren Teillastbereich betrieben werden.

Grundsätzlich ist die Energieeffizienz eines Transformators einer von mehreren Faktoren, die bei der Entwicklung optimiert werden sollen. Wie stark die Energieeffizienz hierbei gewichtet wird, hängt von den jeweiligen Prioritäten ab. Beispielsweise wäre die energetische Optimierung von Verteilnetztransformatoren sehr wünschenswert, da diese für viele Jahrzehnte im Betrieb bleiben, also im Laufe ihrer Lebensdauer enorm viel Energie verschwenden können. Jedoch liegen die Anschaffungskosten für bessere Transformatoren deutlich höher, und ihre Anwendung kann auch durch andere Aspekte behindert werden – beispielsweise durch einen etwas höheren Platzbedarf (also bei Umrüstungen u. U. die Notwendigkeit, entsprechend mehr Platz zu schaffen) und die bei manchen Bauarten (z. B. mit amorphem Kern) stärkere Geräuschentwicklung. Gewisse Mindeststandards für die Energieeffizienz von Verteilnetztransformatoren werden auch durch Normen festgelegt, die bisher aber wegen ihrer geringen Anforderungen meist kaum eine Lenkungswirkung entwickeln.

Anwendung von Transformatoren

Transformatoren sind sehr wichtig in der Energietechnik:

Steckernetzteile

Abbildung 2: Zwei typische Steckernetzteile. Das größere rechts enthält einen Transformator, das kleine leichte (links) ein Schaltnetzteil ohne Transformator.

Es kommen oft Transformatoren mit einem über Stufenschalter in engen Grenzen variablen Übersetzungsverhältnis zum Einsatz, um das Spannungsniveau bei Lastschwankungen regeln zu können. Solche regelbare Transformatoren werden eingesetzt, um die Spannungshaltung zu gewährleisten. Heute werden zunehmend regelbare Ortsnetztransformatoren verwendet, wo die Spannungshaltung aufgrund starker Einspeisungen dezentraler Erzeugungsanlagen schwieriger geworden ist.

Im Haushalt erzeugen diverse Niederspannungstransformatoren in Netzteilen noch niedrigere Spannungen von z. B. 12 V oder weniger für den Betrieb diverser Geräte. Beispielsweise gibt es Steckernetzteile mit Leistungen von wenigen Watt für den Betrieb kleiner elektronischer Geräte. Solche Steckernetzteile enthalten häufig einen kleinen Transformator; jedoch werden diese zunehmend durch noch kompaktere, leistungsfähigere und verlustärmere Schaltnetzteile abgelöst.

Siehe auch: Netzteil, elektrische Energie, Wechselstrom, Drehstrom, Stromnetz, Standby-Verbrauch
sowie andere Artikel in der Kategorie elektrische Energie

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